CN112284526B - 一种基于多频天线结构的n×m太赫兹探测器阵列成像系统 - Google Patents

一种基于多频天线结构的n×m太赫兹探测器阵列成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，通过将传统探测器中用作接收太赫兹信号的单频点太赫兹天线替换成多频点太赫兹天线，从而实现一个探测器支持任意多个不同频点的探测。传统的探测器针对不同频点的探测则需要更换不同频点的探测器，本发明可根据实际需求设计任意不同频点的多频点太赫兹天线，从而在不用更换太赫兹探测器的情况下就能实现一个探测器支持多个任意不同频点的探测，有效降低了太赫兹探测与成像的成本。另外，在多频点太赫兹天线结构的基础上提出一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列，利用太赫兹波与探测器天线阵中自由电子群发生共振可增强天线中低动能电子的能量，从而提高探测灵敏度。

Description

一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统
技术领域
本发明涉及太赫兹探测器的技术领域，尤其涉及到一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统。
背景技术
经过近20多年来的研究，国际科技界公认，THz科学技术是一个非常重要的交叉前沿领域。由于THz具有很高的空间分辨率和时间分辨率，使得它在成像技术及波谱技术方面具有独特的优势；另一方面，THz的能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比，它又有很大的优势。因此，THz科学技术很可能是新一代IT产业的基础之一。THz研究之所以成为热点，也是因为THz的能量太小，其信息特征非常微弱。技术手段缺乏限制了理论研究的进展，研究上的空白点很多。例如，由于THz的辐射源不稳定，目前尚没有标准的辐射源且辐射源的功率普遍较低。这就需要发展高灵敏度、低成本的太赫兹探测器。
肖特基二极管具有速度快、良好的非线性效应、能够在常温下工作和容易集成等优点，所以常被用作太赫兹探测器中的检波二极管。传统的基于肖特基二极管的太赫兹探测器通常采用单个单频点太赫兹天线和单个SBD的结构。而实际要求太赫兹探测器能支出多个不同频点的探测。这就意味着进行不同频点探测的时候需要更换不同频点的探测器。这样一来，无疑增加了太赫兹探测的成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，旨在实现低成本、高灵敏度的太赫兹探测与成像。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，包括N×M探测器阵列、探测器和读出电路测试开关、读出电路；
所述N×M探测器阵列包括N×M个纵横排列的探测器单元、N个行选开关以及M个列选开关；
每个探测器单元均包括多频点太赫兹天线、包括有传输线TL1、TL2和TL3的匹配网络、隔直电容C1、偏置电压Vb1、偏置电阻Rb1、肖特基二极管SBD以及NMOSFET；
其中，所述多频点太赫兹天线与传输线TL1的左端口相连，传输线TL2的右端口与肖特基二极管SBD的阳极相连，而肖特基二极管SBD的阴极与地相连；
所述偏置电阻Rb1连接在肖特基二极管SBD阳极与偏置电压Vb1之间，用于给肖特基二极管SBD供电；
所述匹配网络的传输线TL3分别与隔直电容C1的一端和NMOSFET的MSEL端连接，隔直电容C1的另一端接地；
所述每个探测器单元中NMOSFET的SEL端均与所在列的列选开关连接；
所述每个探测器单元中NMOSFET的Vout端均与所在行的行选开关连接；
所述探测器和读出电路测试开关连接在N个行选开关和读出电路之间。
进一步地，所述匹配网络采用接地共面波导传输线。
进一步地，所述多频点太赫兹天线的端口阻抗与传输线TL1的左端口阻抗一致，传输线TL1的左端口阻抗与传输线TL2的右端口阻抗一致，传输线TL2的右端口阻抗与肖特基二极管阳极的端口阻抗一致。
进一步地，所述读出电路包括低噪声斩波放大器和高分辨率模数转换器；所述低噪声斩波放大器连接于N个行选开关和高分辨率模数转换器之间，将接收到的太赫兹信号进行放大并利用斩波电路技术来减少放大器自身的offset和1/f噪声；所述高分辨率模数转换器将放大后的太赫兹信号进行数字化，以便进行后端信号处理。
进一步地，所述探测器和读出电路测试开关包括探测器测试开关S1和读出电路测试开关S2；所述探测器测试开关S1和读出电路测试开关S2分别连接于所述N个行选开关和读出电路之间。
与现有技术相比，本方案原理及优点如下：
1.通过将传统探测器中用作接收太赫兹信号的单频点太赫兹天线替换成多频点太赫兹天线(每个频点的带宽可根据实际需求设计为窄带)，从而实现一个探测器支持任意多个不同频点的探测。而传统的探测器针对不同频点的探测则需要更换不同频点的探测器，本方案可根据实际需求设计任意不同频点的多频点太赫兹天线，从而在不用更换太赫兹探测器的情况下就能实现一个探测器支持多个任意不同频点的探测，有效降低了太赫兹探测与成像的成本。
2.在多频点太赫兹天线结构的基础上提出一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列，利用太赫兹波与探测器天线阵中自由电子群发生共振可增强天线中低动能电子的能量，从而提高探测灵敏度，同时也为高灵敏度、低成本的太赫兹照相机和太赫兹安检仪的实现提供了一种新的解决方案和思路。
3.引入探测器和读出电路测试开关，可在电路出现故障时分别对探测器单元和读出电路进行测试，有利于迅速找到电路具体故障的原因和位置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的服务作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，包括N×M探测器阵列、探测器和读出电路测试开关、读出电路。
具体地，N×M探测器阵列包括N×M个纵横排列的探测器单元(D11、D12、D13、…、DNM)、N个行选开关(Row1、Row2、Row3、…、RowN)以及M个列选开关(Column1、Column2、Column3、…、ColumnM)；每个探测器单元均包括多频点太赫兹天线、包括有传输线TL1、TL2和TL3的匹配网络、隔直电容C1、偏置电压Vb1、偏置电阻Rb1、肖特基二极管SBD以及NMOSFET。
其中，多频点太赫兹天线与传输线TL1的左端口相连，传输线TL2的右端口与肖特基二极管SBD的阳极相连，而肖特基二极管SBD的阴极与地相连；偏置电阻Rb1连接在肖特基二极管SBD阳极与偏置电压Vb1之间，用于给肖特基二极管SBD供电；匹配网络的传输线TL3分别与隔直电容C1的一端和NMOSFET的MSEL端连接，隔直电容C1的另一端接地；每个探测器单元中NMOSFET的SEL端均与所在列的列选开关连接；每个探测器单元中NMOSFET的Vout端均与所在行的行选开关连接；探测器和读出电路测试开关连接在N个行选开关和读出电路之间。
具体地，匹配网络采用接地共面波导传输线；多频点太赫兹天线的端口阻抗与传输线TL1的左端口阻抗一致，传输线TL1的左端口阻抗与传输线TL2的右端口阻抗一致，传输线TL2的右端口阻抗与肖特基二极管阳极的端口阻抗一致。
具体地，上述的读出电路包括低噪声斩波放大器和高分辨率模数转换器；其中，低噪声斩波放大器连接于N个行选开关和高分辨率模数转换器之间，将接收到的太赫兹信号进行放大并利用斩波电路技术来减少放大器自身的offset和1/f噪声；所述高分辨率模数转换器将放大后的太赫兹信号进行数字化，以便进行后端信号处理。
探测器和读出电路测试开关包括探测器测试开关S1和读出电路测试开关S2；所述探测器测试开关S1和读出电路测试开关S2分别连接于所述N个行选开关和读出电路之间。主要是方便在电路故障过程中分别对每个探测器单元(D11、D12、D13……DNM)和读出电路进行测试，以便确定具体故障原因和位置。
本实施例中，基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统的具体工作过程如下：
当探测器的行选开关和列选开关闭合(如行选开关Row1和列选开关Column1闭合)、探测器测试开关S1断开、读出电路测试开关S2断开时，探测器接收到的太赫兹信号经过斩波放大器放大后，进入高分辨率模数转换器进行数字化处理，然后从Dout处输出。
当探测器的行选开关和列选开关闭合(如行选开关Row1和列选开关Column1闭合)、探测器测试开关S1闭合、读出电路测试开关S2断开时，进行探测器性能测试，如果可以接收到太赫兹信号说明探测器D11工作正常，反之探测器D11工作故障。
当探测器的行选开关和列选开关全部断开、探测器测试开关S1断开、读出电路测试开关S2闭合时，进行读出电路性能测试，如果Dout处正常输出经过高分辨率模数转换器数字化处理的信号说明读出电路工作正常，反之读出电路工作故障。
通过将传统探测器中用作接收太赫兹信号的单频点太赫兹天线替换成多频点太赫兹天线(每个频点的带宽可根据实际需求设计为窄带)，从而实现一个探测器支持任意多个不同频点的探测。而传统的探测器针对不同频点的探测则需要更换不同频点的探测器，本实施例可根据实际需求设计任意不同频点的多频点太赫兹天线，从而在不用更换太赫兹探测器的情况下就能实现一个探测器支持多个任意不同频点的探测，有效降低了太赫兹探测与成像的成本。
另外，在多频点太赫兹天线结构的基础上提出一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列，利用太赫兹波与探测器天线阵中自由电子群发生共振可增强天线中低动能电子的能量，从而提高探测灵敏度。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，其特征在于，包括N×M探测器阵列、探测器和读出电路测试开关、读出电路；
所述N×M探测器阵列包括N×M个纵横排列的探测器单元、N个行选开关以及M个列选开关；
每个探测器单元均包括多频点太赫兹天线、包括有传输线TL1、TL2和TL3的匹配网络、隔直电容C1、偏置电压Vb1、偏置电阻Rb1、肖特基二极管SBD以及NMOSFET；
其中，所述多频点太赫兹天线与传输线TL1的左端口相连，传输线TL2的右端口与肖特基二极管SBD的阳极相连，而肖特基二极管SBD的阴极与地相连；
所述偏置电阻Rb1连接在肖特基二极管SBD阳极与偏置电压Vb1之间，用于给肖特基二极管SBD供电；
所述匹配网络的传输线TL3分别与隔直电容C1的一端和NMOSFET的MSEL端连接，隔直电容C1的另一端接地；
所述每个探测器单元中NMOSFET的SEL端均与所在列的列选开关连接；
所述每个探测器单元中NMOSFET的Vout端均与所在行的行选开关连接；
所述探测器和读出电路测试开关连接在N个行选开关和读出电路之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，其特征在于，所述匹配网络采用接地共面波导传输线。
3.根据权利要求1所述的一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，其特征在于，所述多频点太赫兹天线的端口阻抗与传输线TL1的左端口阻抗一致，传输线TL1的左端口阻抗与传输线TL2的右端口阻抗一致，传输线TL2的右端口阻抗与肖特基二极管阳极的端口阻抗一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，其特征在于，所述读出电路包括低噪声斩波放大器和高分辨率模数转换器；所述低噪声斩波放大器连接于N个行选开关和高分辨率模数转换器之间，将接收到的太赫兹信号进行放大并利用斩波电路技术来减少放大器自身的offset和1/f噪声；所述高分辨率模数转换器将放大后的太赫兹信号进行数字化，以便进行后端信号处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于多频天线结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，其特征在于，所述探测器和读出电路测试开关包括探测器测试开关S1和读出电路测试开关S2；所述探测器测试开关S1和读出电路测试开关S2分别连接于所述N个行选开关和读出电路之间。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106301230A (zh) * 2016-08-24 2017-01-04 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种基于厚基板肖特基二极管cpw集成单平衡混频器
CN109239787A (zh) * 2018-09-19 2019-01-18 天津大学 一种基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器
CN109390702A (zh) * 2018-09-19 2019-02-26 天津大学 基于基片集成波导天线的锗硅异质结双极晶体管探测器
CN109556714A (zh) * 2018-10-31 2019-04-02 中国科学院半导体研究所 太赫兹光谱芯片
CN110380186A (zh) * 2019-06-05 2019-10-25 广东工业大学 基于n×m dra阵列和n×m nmosfet阵列的太赫兹探测器和天线设计方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110062336A1 (en) * 2009-09-14 2011-03-17 David Ben-Bassat ELECTROMAGNETIC BASED THERMAL SENSING AND IMAGING INCORPORATING STACKED SEMICONDUCTOR STRUCTURES FOR THz DETECTION
US20160209268A1 (en) * 2015-01-20 2016-07-21 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Terahertz receiver and terahertz imaging sensor apparatus for high data rate
US9574945B2 (en) * 2015-04-15 2017-02-21 University Of Rochester THz radiation detection in standard CMOS technologies based on thermionic emission

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106301230A (zh) * 2016-08-24 2017-01-04 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种基于厚基板肖特基二极管cpw集成单平衡混频器
CN109239787A (zh) * 2018-09-19 2019-01-18 天津大学 一种基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器
CN109390702A (zh) * 2018-09-19 2019-02-26 天津大学 基于基片集成波导天线的锗硅异质结双极晶体管探测器
CN109556714A (zh) * 2018-10-31 2019-04-02 中国科学院半导体研究所 太赫兹光谱芯片
CN110380186A (zh) * 2019-06-05 2019-10-25 广东工业大学 基于n×m dra阵列和n×m nmosfet阵列的太赫兹探测器和天线设计方法

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